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BIORREMEDIAÇÃO MICROBIANA Introdução
A revolução industrial trouxe um enorme aumento da poluição e da produção de resíduos. Na realidade, muitos dos problemas ambientais atuais são o resultado de mais de 200 anos de má gestão do lixo industrial, sendo os locais contaminados uma consequência frequente do manuseamento e eliminação inadequados de materiais perigosos. A biorremediação é o processo de tratamento que utiliza a ocorrência natural de microrgan microrganismo ismoss para degradar degradar substân substâncias cias toxi toxicame camente nte perigosa perigosass transform transformando ando-as -as em substâncias menos ou não tóxicas. É um mecanismo de estimulação de situações naturais de biodegradação para a limpeza de derramamentos de óleos e tratamento de ambientes terrestres e aquáticos contaminados com compostos xenobióticos (substância (substância sintética que polui o meio ambien ambiente te). ). Maior Maior segura segurança nça e menos menos pertur perturbaç bação ão do meio meio ambie ambiente nte são são os princ principa ipais is benefícios benefícios da biorremediação. biorremediação. Os dois maiores enfoques da biorremediação biorremediação são a estimulação do crescimento microbiano no local contaminado contaminado e a adição de microrganismos microrganismos degradadores de hidrocarbonetos adaptados ou de biosurfactantes. Biorremediação é o bom uso de seres vivos ou seus componentes para restaurar ambiente ambientess poluído poluídos. s. Geralmen Geralmente te são processos processos que empregam empregam microorganismos ou suas enzimas para degradar compostos poluentes. Na biorremediação utiliza-ea microorganismos, fungos, plantas verdes ou suas enzimas para que o ambiente contaminado retorne a sua condição original. Pode ser empregada para atacar contaminantes específicos do solo, tais como a degradação de hidrocarbonetos clorados pelas bactérias. Um exemplo mais geral é a limpeza de derramamentos do óleo pela adição dos fertilizantes de nitrato ou de sulfato para facilitar a decomposição do óleo pelas bactérias locais ou exteriores. O processo de biorremediação biorremediação se da pelo fato de mocroorganismos, mocroorganismos, como as bactérias, bactérias, utili uti liza zarem rem carbo carbono no orgân orgânic icoo como como fonte fonte de alim aliment entaç ação. ão. Sendo Sendo assi assim, m, conve converte rtendo ndo os contaminantes em CO2 e H2O. A Biorremediação e a Fitorremediação foram usados por séculos. Por exemplo, a desalinação desalinação do solo de agricultura pela fitoextração tem uma tradição longa. É uma metodologia atrativa e confiável para o tratamento de solos e cursos d´água contaminados, contaminados, considerando-se muito eficiente, além de econômica, versátil e principalmente principalmente por causar uma menor perturbação ao ambiente, já que é um sistema de estimulação de proce processo ssoss natura naturais is de remed remediaç iação. ão. Enfim Enfim é uma estra estraté tégia gia ou proces processo so que empreg empregaa
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microrganismos ou suas enzimas para destoxificar contaminantes no solo ou outros ambientes. Esta consiste basicamente na transformação do contaminante a formas que não oferecem riscos de contaminação. Portanto, é fundamentada nos processos de degradação microbiana e reações químicas combinadas com processos de engenharia, criando condições para maximizar as transformações dos contaminantes orgânicos do solo. De acordo com a Agência de Proteção Ambiental. As principais categorias de contaminantes do solo são em ordem
decrescente:
os
cloroalifáticos,
pesticidas,
hidrocarbonetos
aromáticos,
cloroaromáticos, aromáticos simples e outros. Estes originam-se da industrialização do petróleo bruto, industrias químicas diversas e atividades agrícolas, sendo muitos destes produtos de difícil decomposição e, por isto, causam sérios impactos ambientais. Alguns representantes mais importantes no âmbito da biorremediação são: a) Os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs), que são orgânicos voláteis com várias ligações tipo benzeno condensadas, representam mais de 100 diferentes compostos como antraceno e benzopireno. Os PAHs são em sua maioria lipofílicos e adsorvendo fortemente a superfícies hidrofóbicas. O interesse na biorremediação destes compostos é crescente devido aos efeitos mutagênicos e carcinogênicos dos mesmos. b) Os hidrocarbonetos halogenados, especialmente os clorados, são os xenobióticos de grande persistência no solo devido à sua baixa degradabilidade que é resultante da baixa solubilidade, tamanho molecular, toxicidade e elevada energia química de ligação. Os contaminantes mais estudados são: O PCP (Pentaclorofenol), TCE (Tricloroetileno) e os PCB's (bifenis policlorados). c) Os derivados nitrogenados do nitrotolueno empregados na confecção de materiais explosivos como o TNT (2,4,6- trinitrotolueno). Do ponto de vista prático, a biorremediação é fundamentada em três aspectos principais: a) Existência de microrganismos com capacidade catabólica para degradar o contaminante; b) O contaminante deve estar disponível ou acessível ao ataque microbiano ou enzimático; c) Condições ambientais adequadas para o crescimento e atividade do agente biorremediador. Microrganismos com as mais diversas capacidades metabólicas são empregados na biorremediação. Alguns destes são pertencentes a gêneros de bactérias e fungos como: Azospirillum, PseucAlcaligenes, Enterobacter, Proteus, Klebsiella, Serra tia. Bacillus, Arthrobacter, Nocardia, Fusarium, Chaetomium, Phanerochaete e Trametes. A ação metabólica da degradação dependerá do microrganismo envolvido e do ambiente. A
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tecnologia da biorremediação tem como objetivo inocular o solo com microrganismos com capacidade de metabolizar resíduos tóxicos, proporcionando maior segurança e menos perturbações ao meio ambiente. Técnicas de Biorremediação
Apesar de fundamentadas em um único processo básico (biodegradação), as técnicas de biorremediação envolvem variações de tratamentos” in situ" (no local) e "ex situ" (fora do local) que pode envolver inúmeros procedimentos. A maioria dessas estratégias se aplica aos tratamentos de superfície, enquanto algumas são específicas para a biorremediação em subsuperfície como é o caso da bioventilação, que consiste na injeção de ar no solo (ou camada) contaminado para estimular a degradação do contaminante. Vários contaminantes podem ser tratados biologicamente com sucesso. Estes incluem petróleo bruto, hidrocarbonetos do petróleo como gasolina (que contém benzeno, xileno, tolueno e etilbenzeno) óleo diesel, combustível de avião, preservativos de madeira, solventes diversos, lodo de esgoto urbano industrial, e outros compostos xenobióticos ou biogênicos, existindo mais de 300 compostos individuais. Tipos e Estratégias para Biorremediação do Solo
a) Passiva- consiste na degradação intrínseca ou natural pelos micorganismos indígenas do solo. b) Bioestimuladora- consiste na adição de nutrientes, como N e P, para estimular os microrganismos indígenas. c) Biventilação- é uma forma de bioestimulação por meio da adição de gases estimulantes, como O2 e CH4, para aumentar a atividade microbiana decompositora. d) Bioaumentação- é a inoculação do local contaminado com microrganismos selecionados para degração do contaminante. e) Landfarming- é aplicação e incorporação de contaminantes ou rejeitos contaminados na superfície de solo não contaminado para degração. O solo é arado e gradeado para promover a mistura uniforme do contaminante e aeração. f) Compostagem- é o uso de microrganismos termofílicos aeróbios em pilhas construídas para degradar o contaminante.
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Principais Dificuldades para o Sucesso dos Tratamentos Biológicos de Solos Contaminados.
a) Heterogeneidade do rejeito- os rejeitos são distribuídos de modo heterogêneo no solo e o contaminante pode ocorrer em formas não acessivas. b) Concentração do contaminante- contaminantes podem estar presentes em concentações variadas (de muito baixa a muito alta). Se muito alta, pode ser tóxica e inibir o crescimento. c) Persistência e toxidade- tratamentos biológicos são eficientes para remover matérias biodegradáveis e de baixa toxidade. c) Contaminantes resistentes à biodegradação exigem adequadação nutricional do solo. (com fonte de C) e consórcio microbiano. d) Condições adequadas para o crescimento microbiano- atividade microbiana suficiente para promover adequada degração exige condições ambientais favoráveis passíveis de destoxicaçõa por biorremediação, como por exemplo umidade, temperatura e aeração do solo.
Aspectos Biológicos das Técnicas mais Comumente Empregadas
Landfarming
Consiste na aplicação do contaminante em forma líquida ou sólida na camada arável do solo, onde se concentram 90% dos microrganismos que usam os contaminantes como fonte de energia e que pode transformá-Ios geralmente, mas não exclusivamente por cometabolismo. A matriz (rejeito) com C é misturada ao solo por aração e gradagem e as condições físico-químicas do solo (água, aeração e nutrientes) ajustadas para maximizar a atividade heterotrófica. Cria-se assim a camada reativa zona de tratamento fazendo com que esta camada de solo atue como bioreator natural (Figura 1 a seguir). Essa camada pode atingir 50 cm, dependendo da profundidade de incorporação dos resíduos. Abaixo desta zona situa-se uma camada de solo ainda não saturada, acima do lençol freático. Uma variação do "Iandfarming" convencional inclui a presença de plantas, cujo ambiente rizosférico aumenta a atividade. dos heterotróficos e a biodegradação do contaminante. A pulverização do solo pela aração e gradagem facilita o espalhamento do solo com contaminante pelo vento. Para que isso seja evitado, o solo deve ser mantido úmido.
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(ZONA SATU RADA (LENÇOL FREÁTICO) Figura 1. Seção transversal esquemática de um a célula da unidade de tratamento no solo em pregado pelo landifarming
O "Iandfarming" é empregado com elevada eficiência no tratamento de rejeitos industriais, especialmente na indústria petroquímica (Bewley, 1996). Concentrações de petróleo de até 7% (70.00" kg-1) são reduzidas para 100-200 mg kg-1 em poucos meses, desde que as condições físicas (umidade e aeração), químicas (presença de aceptores de elétrons) e biológicas (elevada atividade heterotrófica) sejam adequadas. Para a degradação de 100 unidades de C são necessárias, em média, 2 unidades N para as bactérias, 3 0.4 parara fungos e 3 a 6 para os actinomicetos. Assim para se obter sucesso com esse processo, além da boa aeração para o O2 não seja limitante, garantindo assim o fluxo de elétrons da bioxidação, a disponibilidade de N P e outros nutrientes no solo é essencial, assim como é importante a relação C/N do material a ser tratado. Para lodos de refinarias de petróleo, a biodegração é favorecida, quando a relação C/N é de 9:1. Por isso, o tipo de solo e seu teor de matéria orgânica, como a aplicação de N, são fatores que precisam ser controlados. A matéria orgânica do solo é importante para a população microbiana com metabolizante, que também atua na biodegradção de certos componentes do petróleo e de outros resíduos. Muitos apresentam baixa degradabilidade e neste caso, o tratamento do
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rejeito com surfactante ou agentes pré-oxidantes, reduz a recalcitrância e acelera a degradação destes pelos microrganism. Em condições ótimas de nutrientres (e.g. relação C: N: P 70: 5:1) a biodegradação de petróleo bruto ou lodo de refinaria atinge de 6 a 8 menos de um ano. A composição química do resíduo também determina a velocidade de sua decomposição. A fração de compostos saturados do petróleo degrada-se mais facilmente do que a insaturada, exercendo grande influência na tratabilidade dos resíduos de refinarias. No Brasil, as condições climáticas são muito favoráveis ao uso desse processo. Na refinaria da Petrobrás em Curitiba (PR) em solo com biota adaptada para biodegradação destes rejeitos, é possível tratar de 0,5 a 1,0 m3 de é 0:m2 de solo por ano ao custo de R$ 9,00 a 12,60 por m3 e, no caso de lodo de destilaria, é possivel de 400 0.800 Mg ha-1 (CARVALHO, 1998). Um outro exemplo interessante ocorreu no tratamento de solo contaminado com atrazina na fábrica Ciba-Geigy Corp no estado de Louisiana - EUA. O solo, além de arado e gradeado, recebeu 880 kg de fertilizante 13-13-13 (NPK) e aplicação de culturas de Pseudomonas degradadoras de atrazina. Após 20 semanas a concentração do contaminante reduziu de 100 mg kg-1 para apenas 10 mg kg-1, uma redução de 90% da concentração original. Para uma área de 1,9 ha de solo contaminado a empresa gastou US$ 1,05 milhão, enquanto para outro procedimento, como escavação e disposição apropriada do solo contaminado, seriam gastos US$ 5,3 milhões. Com a biorremediação US$ 4,25 milhões foram economizados pela empresa. Portanto, o "Iandfarming" representou uma economia de 2,3 milhões de dólares no tratamento de 1 ha de solo poluído, neste caso. Apesar de ser um processo simples, para a implantação do "Iandfarming", devem-se observar critérios técnicos para a seleção de locais apropriados, pois há formação de gases e materiais lixiviáveis que oferecem riscos ao meio ambiente. A topografia do solo, a localização em relação aos cursos de água, o tipo e a profundidade do solo, são alguns aspectos importantes na definição da área destinada a esse processo. Os órgãos reguladores e de gestão ambiental possuem as instruções normativas para a implementação do processo. Biorremediação Fase Sólida
É baseada nos mesmos princípios do método anterior, porém constitui-se de pilhas de solo, que funcionam como células de tratamento. Nas células realiza-se controle mais rigoroso da volatilização. lixiviação e escoamento superficial de material contaminado, o que não ocorre no "Iandfarming", sendo, portanto, mais seguro e apropriado para tratamento de solos
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contendo compostos que oferecem elevad risco ambiental. Na biorremediação fase sólida pode-se também optar pela compostagem que consiste em um tratamento controlado pela geração de calor pelos aeróbios termofílicos. A elevação da temperatura na massa contaminada é ideal para tratamento de rejeitos e lodos diversos, incluindo contaminantes explosivos. É um processo barato e fácil de ser monitorado. Tratamentos" in situ"
Os tratamentos" in situ" são baseados na manipulação da fase aquosa e estímulo da decomposição pela injeção de ar (bioventilação) e suplementação com nutrientes em galerias e poços de infiltração. É comum o uso de plantas nesse tipo de tratamento, as quais fornecem substratos à atividade microbiana enquanto os microrganismos transformam os contaminantes. Além da biodegradação, os microrganismos atuam direta ou indiretamente na biosorção, reduzindo a ação dos contaminantes no meio ambiente. Bioaumentação
A biorremediação envolve ainda a inoculação do solo com culturas puras ou consórcio microbiano contendo microrganismos selecionados para degradações de contaminantes específicos. Esses processos são conhecidos por bioaumentação que tem sido bastante estudada para vários herbicidas, hidrocarbonetos clorados e carbonatos através do emprego de populações indígenas aclimatadas, isolados selecionados e até mesmo microrganismos transgênicos contendo plasmídeos degradadores (Struthers et aI., 1998; Bewey, 1996). Para isso, recorre-se a populações aclimatadas através de mutação direta ou transformação genética, para degradação acelerada de determinado composto (Felsot & Shelton, 1993). Isolados indígenas, bem como microrganismos modificados geneticamente, contendo plasmídeos catabólicos, têm sido empregados na produção de inoculantes comerciais para biorremediação. Várias bactérias e fungos. compreendendo dezenas de formulações comerciais, são vendidos nos EUA a preços que variam de USS 3,6 a US$ 18,0 kg-1 (Glass, 1992). Entretanto, existem poucas evidências definitivas de sucesso dessa técnica, exceto em algumas situações específicas, como se verifica com o Agrobacterium radiobacter J14 que possui elevada capacidade de degradar a atrazina e o fungo Phanerochaete chrysosporum, o qua: degrada mais que 60 xenobióticos, incluindo 12 aromáticos policíclicos, 12 aromáticos
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clorados, 9 policíclicos aromáticos, 3 alquil-clorados, 6 biopolímeros e 16 corantes diversos (Bumpus, 1993). P. chrysosporum é capaz de degradar entre 15 a 98% de vários xenobióticos em menos de 60 dias. Em geral, a bioaumentação é mais apropriada para tratamentos de contaminantes muito recalcitrantes, em contaminações recentes e onde se pretende aplicar a degradação acelerada. Uma estratégia que vem ganhando espaço na biorremediação é o uso de plantas para acelerar o processo de degradação. As plantas, além de atuarem diretamente sobre vários tipos de contaminantes, contribuem indiretamente através do efeito rizosférico sobre a microbiota biodegradadora. O tratamento de um solo contaminado com hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAP's) em concentração de 185 mg kg-1 de HAPs total e 50 mg kg-1 de HAP's carcinogênicos, sofreu redução de 26% após 180 dias de tratamento sem planta e de 57% quando o solo foi semeado com Panicum virgatum (switchgrass). Na fração carcinogênica houve redução apenas nas parcelas com planta, sendo esta redução da ordem de 30%. Várias outras plantas e contaminantes têm sido estudadas na biorremediação, evidenciando a importância dos processos microbianos influenciados por estas. A biorremediação microbiana tem concepção muito antiga, mas só recentemente evoluiu de estudos pilotos para aplicação em larga escala. No momento, representa a principal tecnologia de remediação de solo por ser: a) De baixo custo (US$ 13 a 1.500 por tonelada de solo tratado) em relação a outras técnicas; b) Ser uma solução permanente; c) Fundamentada em processos naturais; d) Aplicável a uma grande variedade de contaminantes; e) De grande aceitação pública. No Brasil a biorremediação é ainda muito pouco praticada, exceto "Iandfarming", que é praticado com sucesso, principalmente na indústria petroquímica brasileira. A biorremediação é um método confiável e atrativo para o tratamento de solos e cursos d´água contaminados com hidrocarbonetos, sendo considerada eficiente, econômica e versátil; por outro lado, a biorremediação no local, é muitas vezes limitada por dificuldades no transporte de nutrientes ou receptores de elétrons e no controle das condições para aclimatação e degradação dos contaminantes nos sistemas subsuperficiais (JAIN et al ., 1992; CORSEUIL et al ., 1994; CORSEUIL et al ., 1996).
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Fitorremediação
Neste processo emprega-se plantas para descontaminar sítios com resíduos químicos orgânicos em sua porção superficial. Áreas contendo plantas apresentam uma biodegradabilidade mais acelerada e completa se comparada com áreas não plantadas devido: a) Expansão da população ativa dos microrganismos no solo (rizosfera) que se utilizam da fração “exudata” das raízes como fonte de alimento. b) O exudato das raízes também estimula transformações cometabólicas, assim sendo, muitos contaminates são degradados via estimulação da microbiota pela presença do exudato. c) Algumas plantas produzem enzimas que transformam metabolicamente os contaminantes orgânicos contribuindo desta forma para sua oxidação mais rápida pelos microrganismos presentes no solo. A tecnologia de biorremediação tornou-se um importante método de restauração de ambientes contaminados por resíduos de petróleo, pois utilizam à capacidade dos microrganismos em biodegradar ou biotransformar as mais diversas substâncias. A biodegradação ou biotransformação de compostos orgânicos contaminantes é uma das principais medidas de recuperação de ecossistemas contaminados e requer a interação de muitos grupos de organismos vivos diferentes que trabalhem juntos ou seqüencialmente na degradação dos compostos (KATAOKA, 2001). Os mais eficientes biodegradadores são os microrganismos, devido à abundância, grande diversidade de espécies, versatilidade catabólica e anabólica, bem como a capacidade de adaptação às condições adversas do meio (TEIXEIRA & LIMA, 1991 apud KATAOKA, 2001). Microrganismos que degradam hidrocarbonetos estão amplamente distribuídos no solo e em ambientes aquáticos. Populações desses microrganismos normalmente constituem menos que 1% da comunidade microbiana total, mas quando hidrocarbonetos estão presentes, essas populações aumentam em 10% da comunidade (ATLAS, 1995). A biorremediação teve um papel muito importante na limpeza do derramamento de 41 milhões de litros de petróleo causado pelo navio Exxon Valdez, no Golfo do Alasca, em 1989, dando início ao desenvolvimento dessa técnica; e há boas razões para se acreditar que este método terá um papel importante no tratamento de futuros derramamentos de óleo em circunstâncias apropriadas (PRINCE, 1993; SEABRA et al .; 1999). O mercado de tecnologias ambientais disponível hoje é bastante amplo, sendo que uma atenção maior tem sido dispensada aos tratamentos e remediações de solos e águas subterrâneas. Este fato pode ser entendido por razão da geração de resíduos sólidos estar
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sendo cada vez maior e também pela existência de políticas ambientais cada vez mais restritivas nos últimos anos. Com isso, os pesquisadores da área se vêem obrigados a desenvolver técnicas menos dispendiosas e tão eficientes quanto tecnologias consolidadas como a incineração. Tanto na biorremediação “In situ” como na “ex situ”, a contribuição externade microrganismos deve ser avaliada de acordo com o tipo de solo, do equipamento a ser empregado, e principalmente os tipos de contaminantes orgânicos presentes, assim sendo vários estudos de laboratório e campo mostram que para se obter bons resultados faz-se necessária a aplicação de duas ou mais tecnologias em associação. A determinação desta ou daquela tecnologia a ser aplicada ao sítio dependerá das características dos contaminantes e principalmente do local onde ocorreu a contaminação. Estas respostas podem ser obtidas mediante testes em escala piloto e principalmente no estudo detalhado das várias características envolvidas no processo.
Literatura Consultada
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